Syntetisering af nanomaterialer fra naturens tegninger

Velcro. Flyvemaskiner. Sonar. Hvad har disse til fælles? Opfindelsen af ​​hver var inspireret af naturen. Velcro efterligner burre burres evne til at fastgøres til tøj. Fugle i flyvning motiverede den endelige udvikling af fly. Flagermus bruger ekkolokalisering til at navigere og giver inspiration til ekkolod.

Hos Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) er materialeforsker Chun-Long Chen også interesseret i de modeller, der findes i naturen, men i meget mindre skala. Chen henter sin inspiration fra molekylære strukturer, der findes i naturen; primært fra byggestenene i proteiner, kaldet peptider. Han skaber sekvensdefinerede peptoider - syntetiske proteinlignende molekyler, der er mere robuste end naturlige byggesten - for at udvikle biomimetiske nanomaterialer med unikke funktioner.

Disse bio-inspirerede nanomaterialer viser lovende i en bred vifte af applikationer, fra medicinlevering til fotovoltaik. Som en spirende leder inden for molekylær selvsamling skrev Chen sammen med flere af sine tidligere praktikanter for nylig en anmeldelsesartikel til et kommende specialnummer af Chemical Reviews . Denne artikel dækker det nyeste inden for hierarkiske nanomaterialer samlet af sekvensdefinerede syntetiske polymerer. Gennem denne anmeldelse håber forfatterne at opmuntre andre inden for beslægtede områder til at udforske designet af biomimetiske nanomaterialer til avanceret energi, biomedicinsk og miljømæssig anvendelse.

"Jeg er meget inspireret af Chun-Longs præstationer på dette felt, og jeg tror virkelig, at han kun er i begyndelsen af ​​at opdage alle slags nye applikationer til biomimetiske peptoid nanostrukturer," sagde Chens tidligere mentor og peptoid opfinder Ronald Zuckermann fra Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). "Hans forskning åbner op for en helt ny æra af biomimetisk nanovidenskab, hvor vi kan manipulere syntetiske nanomaterialer med atomær præcision for at løse problemer inden for molekylær genkendelse, katalyse og terapeutik."

Store anvendelser for små materialer

Chens egen forskning fokuserer på at udvikle sekvensdefinerede peptoider til at efterligne naturlige proteiner til både biomimetisk krystallisation og samling af biomimetiske materialer. Strukturerne dannet af disse selvsamlende molekyler udviser egenskaber, der er større end de enkelte molekylers. Proteiner indeholder for eksempel flere lag af strukturer. Aminosyrer bindes sammen for at danne peptidmolekyler, som udgør proteinet. Peptider foldes for at danne den 3D-struktur, der giver proteinet dets funktion. Og på næste niveau kan flere proteiner samles for at danne komplekser til unikke funktioner ud over de individuelle proteiners evner.

"At skabe syntetiske polymerer, der selv samles til hierarkiske nanomaterialer som naturlige makromolekyler er meget spændende, men feltet er stadig relativt nyt," sagde Chen. "Gennem denne gennemgang ønskede vi at fremhæve nogle af de fremskridt, der er gjort hen imod den molekylære selvsamling af disse sekvensdefinerede syntetiske polymerer. Vi ønskede også at diskutere de potentielle anvendelser af deres selvsamlede hierarkiske materialer i biomedicinske videnskaber og vedvarende energi. "

Mulighederne er uendelige for disse forskellige funktioner. Hidtil har disse bio-inspirerede funktionelle materialer vist sig lovende inden for lægemiddellevering, molekylær sansning, fotodynamisk terapi, vanddekontaminering og mere.

"Proteiner indeholder en masse information. Deres aminosyresekvenser dikterer deres struktur og funktion i vores kroppe. Peptoiderne, vi syntetiserer, tager denne idé om at bruge sekvenser til at programmere disse molekyler til forskellige funktioner," sagde Chen.

"I princippet kan vi bruge peptoider som en platform af programmerbare byggeklodser og samle dem som LEGO'er for at bygge hierarkiske materialer med højt informationsindhold med høj programmerbarhed og forudsigelighed for at opfylde vores behov. Udfordringen er at få indsigten til disse forudsigelser gennem omhyggelig undersøgelse af vores succeser og fiaskoer," sagde Chen.

Smed en ny vej for hierarkiske nanomaterialer

Nanomaterialerne Chen skaber er notorisk uforudsigelige. Det er svært at syntetisere materialer, der kan udføre bestemte funktioner. Chen er dog ikke fremmed for at overvinde sådanne udfordringer. Som kandidatstuderende ved Sun Yat-Sen University i Kina begyndte Chen at undersøge design og samling af molekyler til supramolekylære strukturer. Dette banede vejen for hans arbejde som postdoktor ved Mississippi State University, University of Pittsburgh og LBNL, hvor han arbejdede med Zuckermann.

Chen blev til sidst rekrutteret til PNNL, hvor han står i spidsen for design af sekvensdefinerede peptoider, der er i stand til at samle sig selv.

"Der var en masse trial-and-error involveret i ikke kun at skabe molekylerne selv, men at sikre, at de kunne danne de større strukturer, vi ønskede, at de skulle," sagde Chen.

Han og hans team satte sig oprindeligt for at skabe molekyler til biomedicinske applikationer som lægemiddellevering og biologisk billeddannelse. Snart udvidede de deres forskning til en bred vifte af applikationer, herunder vanddekontaminering og batteriforskning.

Mentorskab er vigtigt

"Det er en stor ære for vores gruppe at være en del af denne 'Molecular Self-Assembly'-særudgave i Chemical Reviews og for mig at blive inviteret til at skrive en omfattende anmeldelse inden for området molekylær selvsamling af sekvensdefinerede syntetiske polymerer," sagde Chen. "Dette er en stor anerkendelse af mange års hårdt arbejde på dette område, herunder vores bidrag. fra PNNL."

Efter at have modtaget denne invitation samlede Chen straks et hold bestående af to af hans tidligere postdocs, Zhiliang Li og Bin Cai, som begge nu er professorer ved Shandong University, og en gæstende kandidatstuderende:Wenchao Yang, en kandidatstuderende fra Tianjin University. De tre arbejdede sammen med Chen som medforfattere for at skitsere den nuværende state of the art inden for den molekylære selvsamling af peptoider og andre sekvensdefinerede polymerer til hierarkiske nanomaterialer og deres potentielle anvendelser inden for energi og biomedicin.

"Mens jeg arbejdede med Chun-Long, fik jeg værdifuld viden inden for biokemi, såsom design og syntese af biomolekyler, organisk syntese og molekylær selvsamling," sagde Bin Cai, en tidligere postdoc-forsker i Chens gruppe ved PNNL. "Dertil kommer, at hans videnskabelige indsigt og optimistiske holdning i høj grad påvirkede og formede min karriereretning. Helt konkret er det, jeg lærte af ham, hvordan man koncentrerer sig:Hvordan man fokuserer på et vigtigt videnskabeligt emne og lægger flere planer for at nå det." + Udforsk yderligere

Forskere anvender en ny tilgang til at samle peptoider på en fast overflade